Object对象的内存布局学习总结

一、概述

二、对象布局的总体结构

三、获取对象布局案例

四、Mark Word标记字详解

五、总结

一、概述

我们都知道，Java的对象存储在堆（Heap）内存，当我们创建一个对象时，对象内部具体存放了哪些信息，很多时候我们只关心如何创建一个对象，却忽略了其内部内存布局。

接下来我们就来探索一下Java对象头里边到底包含了哪几部分信息？了解对象内部结构，有助于我们理解Synchronized关键字的工作原理、对象晋升老年代年龄为什么是15、Java中锁升级过程等一些问题，这些都是和对象头息息相关。

注：本文笔者以JDK1.8 64位JVM为例。

二、对象布局的总体结构

假设现在有一个类Cal，当我们创建一个Cal类的实例对象时，JVM内存结构布局大概如下图所示：

从图中可以看到，new Cal()实例对象中的信息还是很多的，其中包括GC分代年龄、锁状态标识、类型指针等等。

总结一下，Object对象主要包括几个部分：

对象头Object Header

对象头里面又包括：Mark Word标记字、类型指针Klass Word、数组长度

1. Mark Word：标记字，包括哈希值（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志等信息。

① 哈希值：用于栈对堆空间中对象的引用指向，主要用在栈中局部变量找到堆中创建的实例对象；

② GC分代年龄：记录幸存者区对象被GC之后的年龄，一般年龄达到15之后下一次GC就会直接进入老年代中【为什么是15呢？因为GC分代年龄的长度是4位，4位的二进制最大就是1111，转换为十进制就是15】；

③ 锁状态标志：记录一些加锁的信息，锁升级过程跟它息息相关；

2. 类型指针：Klass Word，是一个指向方法区中Class信息的指针，意味着该对象知道自己是哪个Class的实例，32位的JVM占用32位长度，64位的JVM占用64位长度。所以使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩；
3. 数组长度：如果本对象是一个数组对象时，才会有这个部分，在32位JVM中占用32位，64位JVM中占用64位（8字节）的空间【开启指针压缩后缩小到32位】，里面保存着数组长度，注意非数组对象是没有这一部分的；
实例数据

记录一个对象里面包含的属性信息；

对齐填充

填充部分仅起到占位符的作用, 原因是JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，假如不是，就采用对齐填充的方式将其补齐8字节整数倍，那么为什么是8呢？原因是64位机器能被8整除的效率是最高的。

上面文字描述不太方便记忆，笔者使用脑图总结一下：

三、获取对象布局案例

前面介绍了对象内部布局结构，下面我们通过程序输出对象内部结构来验证一下。

【a】添加jol输出对象布局的maven依赖

<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.9</version>
</dependency>

【b】调用ClassLayout.parseInstance().toPrintable()输出对象内部布局

package com.wsh.mybatis.mybatisdemo.entity;import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;public class Cal {private int a = 1;public static void main(String[] args) {Cal cal = new Cal();//输出cal对象的布局System.out.println(ClassLayout.parseInstance(cal).toPrintable());}}

运行后输出结果如下：

OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header)  //markword               01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4        (object header)  //markword               00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4        (object header)  //klass pointer 类元数据  05 c2 00 20 (00000101 11000010 00000000 00100000) (536920581)12     4    int Cal.a                                     1    // Instance Data 对象实际的数据
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

OFFSET：偏移地址，单位字节；
SIZE：占用的内存大小，单位为字节；
TYPE DESCRIPTION：类型描述，其中object header为对象头；
VALUE：对应内存中当前存储的值；

如上图，我们看到对象头所占用的内存大小为12【4 + 4 + 4，就是三个(object header)】 * 8bit = 96bit，这是因为JDK8版本默认开启指针压缩的，开启指针压缩可以减少对象的内存使用。因此，开启指针压缩，理论上来讲，大约能节省百分之五十的内存。JDK8及以后版本已经默认开启指针压缩，无需配置。当然也可以可以通过如下jvm参数关闭指针压缩。

-XX:-UseCompressedOops  //关闭指针压缩

下面来看一下数组对象的内存结构布局：

public class Cal {public static void main(String[] args) {int[] array = new int[10];//输出cal对象的布局System.out.println(ClassLayout.parseInstance(array).toPrintable());}}

输出如下：

 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header) //mark word              01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4        (object header) //mark word              00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4        (object header) //klass pointer 类元数据  6d 01 00 20 (01101101 00000001 00000000 00100000) (536871277)12     4        (object header) //数组长度                0a 00 00 00 (00001010 00000000 00000000 00000000) (10)16    40    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 56 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

对比前面Cal的内存布局，因为这里输出的是数组对象，可以看到，Object Header多出了32位长度，也就是说如果是数组对象，它的对象头所占用的内存大小为16【4 + 4 + 4 + 4，就是四个(object header)】 * 8bit = 128bit，多出的32位就是存放的数组长度。

四、Mark Word标记字详解

Mark Word主要用来存储对象自身的运行时数据，包括hashcode、GC分代年龄等。32位JVM的Mark word为32位，64位JVM为64位。本篇笔者使用的是64位jvm，所以mark word是64位。先来看一张图：

以上是Java对象处于5种不同状态时，Mark Word中64个位的表现形式，上面每一行代表对象处于某种状态时的样子。其中各部分的含义如下：

lock：表示锁状态的标记位，占用2个二进制位；
biased_lock：表示对象是否启用偏向锁标记，占用1个二进制位。biased_lock为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁；

通过倒数三位数，即【biased_lock + lock】，我们可以判断出锁的类型，表达的锁状态含义如下表所示：

偏向锁标识(biased_lock)	锁标识(lock)	锁的类型
0	01	无锁
1	01	偏向锁
0	00	轻量级锁
0	10	重量级锁
0	11	GC标志

age：表示对象的分代年龄，占用4个二进制位。默认情况下，GC晋升到老年代的年阈值为15。由于age只有4位，表示的二进制最大也就是1111，转换成十进制也就是最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode：表示对象的hashcode，占用31个二进制位。

thread：表示持有偏向锁的线程ID。

epoch：表示偏向锁的时间戳。
ptr_to_lock_record：表示轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：表示重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。

下面通过一个案例，来看下加了锁之后的内存布局是怎么样的，通过对象头分析锁状态。

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;public class Cal {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Cal cal = new Cal();synchronized (cal) {Thread.sleep(1000);//输出cal对象的布局System.out.println(ClassLayout.parseInstance(cal).toPrintable());Thread.sleep(1000);}}}

输出结果如下：

 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header)                           b8 f3 e9 02 (10111000 11110011 11101001 00000010) (48886712)4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4        (object header)                           05 c5 00 20 (00000101 11000101 00000000 00100000) (536921349)12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

mark word是反向存储的，根据mark word是由前64位的value倒序拼接成的串组成，如下：

00000000 00000000 00000000 00000000 00000010 11101001 11110011 10111000

mark word标记头倒数三位是：000，倒数第三位为0，表示这不是偏量锁，倒数后2位为00，所以这是一把轻量锁；

五、总结

本篇文章主要介绍了Object对象的内存布局，包含对象头，实例数据、对齐填充等，并且通过示例打印出了对象的内存结构信息以及各种锁状态标识等，这其中涉及到锁升级的内容，后面专门写一篇文章总结锁升级相关知识。以上就是关于对象内部布局的一些学习总结，如有不对之处，还望指正，希望对大家有所帮助。